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JP7731485B2 - Power Conversion Device - Google Patents

Power Conversion Device

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JP7731485B2
JP7731485B2 JP2024152105A JP2024152105A JP7731485B2 JP 7731485 B2 JP7731485 B2 JP 7731485B2 JP 2024152105 A JP2024152105 A JP 2024152105A JP 2024152105 A JP2024152105 A JP 2024152105A JP 7731485 B2 JP7731485 B2 JP 7731485B2
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circuit
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bypass
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純一 中嶋
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Description

本開示は、電力変換装置に関する。 This disclosure relates to a power conversion device.

近年、電力系統等の高圧系統に適用される高電圧、大容量の電力変換装置として、モジュラーマルチレベル変換器(MMC:Modular Multilevel Converter)が知られている。MMCは、変換器セルがカスケード接続されたアームにより構成される。変換器セルは、複数の半導体スイッチとコンデンサとを含んでおり、半導体スイッチをオンオフさせることにより、コンデンサの両端電圧またはゼロ電圧を出力する。また、変換器セルに異常が発生した場合に、バイパス要素を用いて当該変換器セルを短絡することにより運転継続を可能にする電力変換装置が知られている。 In recent years, modular multilevel converters (MMCs) have become known as high-voltage, large-capacity power conversion devices for use in high-voltage systems such as power grids. MMCs are composed of arms in which converter cells are cascaded. Each converter cell includes multiple semiconductor switches and capacitors, and turning the semiconductor switches on and off outputs either the voltage across the capacitor or zero voltage. Power conversion devices are also known that, if an abnormality occurs in a converter cell, short-circuit the converter cell using a bypass element, allowing continued operation.

例えば、特許5889498号公報(特許文献1)に係る電力変換装置は、変換器セルの異常が検知された場合に、バイパス要素の閉路が確立されるまでの期間、複数の半導体素子のうち、バイパス要素を含まない電流経路を継続的に形成するように選択した半導体素子をオン状態にするように構成される。 For example, the power conversion device disclosed in Japanese Patent No. 5889498 (Patent Document 1) is configured such that, when an abnormality in a converter cell is detected, a semiconductor element selected from among multiple semiconductor elements is turned on so as to continuously form a current path that does not include a bypass element for the period until a closed circuit of the bypass element is established.

特許5889498号公報Patent No. 5889498

特許文献1では、変換器セルの異常発生時において、バイパス要素の閉路動作に伴ってバイパス要素に流れる過電流を抑制することにより、バイパス要素の損傷を防止することを検討している。特許文献1に係る変換器セルは、ハーフブリッジ回路またはフルブリッジ回路で構成されている。 Patent Document 1 considers preventing damage to the bypass element by suppressing the overcurrent that flows through the bypass element when the bypass element closes when an abnormality occurs in the converter cell. The converter cell described in Patent Document 1 is configured as a half-bridge circuit or a full-bridge circuit.

一方、ハーフブリッジ回路を2個直列に接続した構成を有する変換器セルでは、2つのハーフブリッジ回路によって変換器セル全体に印加される電圧を分割できるため、各ハーフブリッジ回路への印加電圧を低減できる.当該構成を有する変換器セルにおいても、バイパス要素に流れる過電流を抑制してバイパス要素が損傷しないように保護する必要がある。しかしながら、特許文献1は当該保護を実現するための解決手段を教示も示唆もしていない。 On the other hand, in a converter cell having a configuration in which two half-bridge circuits are connected in series, the voltage applied to the entire converter cell can be divided by the two half-bridge circuits, thereby reducing the voltage applied to each half-bridge circuit. Even in a converter cell having this configuration, it is necessary to protect the bypass elements from damage by suppressing overcurrent flowing through them. However, Patent Document 1 does not teach or suggest a solution for achieving this protection.

本開示のある局面における目的は、直列接続された2つのハーフブリッジ回路で構成された変換器セルの異常発生時に、バイパス要素に流れる過電流を抑制してバイパス要素を保護することが可能な電力変換装置を提供することである。 An object of one aspect of the present disclosure is to provide a power conversion device that can protect a bypass element by suppressing overcurrent flowing through the bypass element when an abnormality occurs in a converter cell composed of two half-bridge circuits connected in series.

ある実施の形態に従うと、直列接続された複数の変換器セルを備える電力変換装置が提供される。複数の変換器セルの各々は、セル制御部と、直列接続された第1スイッチング回路および第2スイッチング回路と、第1入出力端子および第2入出力端子と、第1入出力端子と第2入出力端子との間に接続されたバイパス要素とを含む。第1スイッチング回路は、第1半導体素子と、第2半導体素子と、第1半導体素子および第2半導体素子を含む直列体に並列接続された第1エネルギー蓄積要素とを含む。第1入出力端子は、第1半導体素子の負極端子と第2半導体素子の正極端子との接続点に接続される。第2スイッチング回路は、第3半導体素子と、第4半導体素子と、第3半導体素子および第4半導体素子を含む直列体に並列接続された第2エネルギー蓄積要素とを含む。第2入出力端子は、第3半導体素子の負極端子と第4半導体素子の正極端子との接続点に接続される。第1スイッチング回路および第2スイッチング回路のうちのいずれかの異常が検出された場合、セル制御部は、バイパス要素を閉路するための制御を実行し、制御に応じてバイパス要素の閉路が確立される前の期間において、第1半導体素子および第4半導体素子の各々をオフ状態にするための制御を実行し、第2半導体素子および第3半導体素子の各々をオン状態にするための制御を実行する。 According to one embodiment, a power conversion device is provided that includes a plurality of converter cells connected in series. Each of the plurality of converter cells includes a cell control unit, a first switching circuit and a second switching circuit connected in series, a first input/output terminal and a second input/output terminal, and a bypass element connected between the first input/output terminal and the second input/output terminal. The first switching circuit includes a first semiconductor element, a second semiconductor element, and a first energy storage element connected in parallel to a series circuit including the first semiconductor element and the second semiconductor element. The first input/output terminal is connected to a connection point between the negative terminal of the first semiconductor element and the positive terminal of the second semiconductor element. The second switching circuit includes a third semiconductor element, a fourth semiconductor element, and a second energy storage element connected in parallel to the series circuit including the third semiconductor element and the fourth semiconductor element. The second input/output terminal is connected to a connection point between the negative terminal of the third semiconductor element and the positive terminal of the fourth semiconductor element. If an abnormality is detected in either the first switching circuit or the second switching circuit, the cell control unit executes control to close the bypass element, and in response to the control, executes control to turn each of the first semiconductor element and the fourth semiconductor element into an off state, and executes control to turn each of the second semiconductor element and the third semiconductor element into an on state, during the period before the bypass element is closed.

他の実施の形態に従うと、直列接続された複数の変換器セルを備える電力変換装置が提供される。複数の変換器セルの各々は、セル制御部と、直列接続された第1スイッチング回路および第2スイッチング回路と、第1入出力端子および第2入出力端子と、第1入出力端子と第2入出力端子との間に接続されたバイパス要素とを含む。第1スイッチング回路は、第1半導体素子と、第2半導体素子と、第1半導体素子および第2半導体素子を含む直列体に並列接続された第1エネルギー蓄積要素とを含む。第1入出力端子は、第1半導体素子の負極端子と第2半導体素子の正極端子との接続点に接続される。第2スイッチング回路は、第3半導体素子と、第4半導体素子と、第3半導体素子および第4半導体素子を含む直列体に並列接続された第2エネルギー蓄積要素とを含む。第2入出力端子は、第3半導体素子の負極端子と第4半導体素子の正極端子との接続点に接続される。第1半導体素子に流れる短絡電流または第4半導体素子に流れる短絡電流が検出された場合、セル制御部は、第1半導体素子および第4半導体素子をオフ状態に制御する。 According to another embodiment, a power conversion device is provided that includes a plurality of converter cells connected in series. Each of the plurality of converter cells includes a cell control unit, a first switching circuit and a second switching circuit connected in series, a first input/output terminal and a second input/output terminal, and a bypass element connected between the first input/output terminal and the second input/output terminal. The first switching circuit includes a first semiconductor element, a second semiconductor element, and a first energy storage element connected in parallel to a series circuit including the first semiconductor element and the second semiconductor element. The first input/output terminal is connected to a connection point between the negative terminal of the first semiconductor element and the positive terminal of the second semiconductor element. The second switching circuit includes a third semiconductor element, a fourth semiconductor element, and a second energy storage element connected in parallel to the series circuit including the third semiconductor element and the fourth semiconductor element. The second input/output terminal is connected to a connection point between the negative terminal of the third semiconductor element and the positive terminal of the fourth semiconductor element. If a short-circuit current flowing through the first semiconductor element or the fourth semiconductor element is detected, the cell control unit controls the first semiconductor element and the fourth semiconductor element to the off state.

本開示によると、直列接続された2つのハーフブリッジ回路で構成された変換器セルの異常発生時に、バイパス要素に流れる過電流を抑制してバイパス要素を保護することが可能となる。 According to the present disclosure, when an abnormality occurs in a converter cell composed of two half-bridge circuits connected in series, it is possible to protect the bypass element by suppressing the overcurrent flowing through the bypass element.

電力変換装置の概略構成図である。FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a power conversion device. 変換器セルの構成例を示す図である。FIG. 2 is a diagram illustrating a configuration example of a converter cell. バイパス要素の閉路時に発生し得る短絡電流の経路の一例を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing an example of a path of a short-circuit current that can occur when a bypass element is closed. バイパス要素の閉路時に発生し得る短絡電流の経路の他の例を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing another example of a path of a short-circuit current that can occur when the bypass element is closed. オンオフ制御実行時における短絡電流の経路の一例である。10 is a diagram illustrating an example of a path of a short-circuit current when on/off control is executed. 変換器セルをバイパスするための電流経路を示す図である。FIG. 10 shows a current path for bypassing a converter cell. オンオフ制御実行時における短絡電流の経路の他の例を示す図である。FIG. 10 is a diagram illustrating another example of a path of a short-circuit current when on/off control is executed. 実施の形態1に従うセル制御部の処理手順の一例を示すフローチャートである。10 is a flowchart showing an example of a processing procedure of a cell control unit according to the first embodiment. 短絡電流の検出方式の一例を説明するための図である。FIG. 10 is a diagram for explaining an example of a method for detecting a short-circuit current. 短絡電流の検出方式の他の例を説明するための図である。FIG. 10 is a diagram for explaining another example of a method for detecting a short-circuit current. 短絡電流の検出方式のさらに他の例を説明するための図である。FIG. 10 is a diagram for explaining yet another example of a method for detecting a short-circuit current. 実施の形態2に従うセル制御部の処理手順の一例を示すフローチャートである。10 is a flowchart showing an example of a processing procedure of a cell control unit according to the second embodiment. 半導体素子が大規模な破壊に至る例を説明するための図である。1A and 1B are diagrams for explaining an example in which a semiconductor element is destroyed on a large scale; 実施の形態3に従う半導体素子の制御方式を説明するための図である。FIG. 11 is a diagram for explaining a control method of a semiconductor element according to a third embodiment. 実施の形態4に従う半導体素子群を説明するための図である。FIG. 10 is a diagram for explaining a semiconductor element group according to a fourth embodiment. 実施の形態4に従う半導体素子群の制御方式を説明するための図である。FIG. 13 is a diagram for explaining a control method for a semiconductor element group according to a fourth embodiment. 変換器セルの変形例を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing a modified example of a converter cell. セル制御部の構成例を説明するための図である。FIG. 2 is a diagram illustrating an example of the configuration of a cell control unit. セル制御部の他の構成例を説明するための図である。FIG. 10 is a diagram for explaining another example configuration of the cell control unit.

以下、図面を参照しつつ、本実施の形態について説明する。以下の説明では、同一の部品には同一の符号を付してある。それらの名称および機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明は繰り返さない。 The present embodiment will now be described with reference to the drawings. In the following description, identical components are designated by the same reference numerals. Their names and functions are also the same. Therefore, detailed descriptions of them will not be repeated.

実施の形態1.
<電力変換装置の構成>
図1は、電力変換装置の概略構成図である。図1を参照して、電力変換装置100は、互いに直列接続された複数の変換器セル10を含む電力変換器110と、電力変換器110を制御するための制御装置120とを含む。“変換器セル”は、“サブモジュール”あるいは“単位変換器”とも呼ばれる。電力変換器110は、モジュラーマルチレベル変換器によって構成される。典型的には、電力変換器110は、直流回路130と交流回路150との間で電力変換を行なう。
Embodiment 1.
<Configuration of power conversion device>
Fig. 1 is a schematic diagram of a power conversion device. Referring to Fig. 1, the power conversion device 100 includes a power converter 110 including a plurality of converter cells 10 connected in series with each other, and a control device 120 for controlling the power converter 110. A "converter cell" is also called a "sub-module" or "unit converter." The power converter 110 is configured by a modular multilevel converter. Typically, the power converter 110 performs power conversion between a DC circuit 130 and an AC circuit 150.

電力変換器110は、正極直流端子(すなわち、高電位側直流端子)Npと、負極直流端子(すなわち、低電位側直流端子)Nnとの間に互いに並列に接続された複数のレグ回路40u,40v,40w(以下、「レグ回路40」とも総称する。)を含む。 The power converter 110 includes multiple leg circuits 40u, 40v, and 40w (hereinafter collectively referred to as "leg circuits 40") connected in parallel between a positive DC terminal (i.e., a high-potential side DC terminal) Np and a negative DC terminal (i.e., a low-potential side DC terminal) Nn.

レグ回路40は、交流を構成する複数相の各々に設けられる。レグ回路40は、直流回路130と交流回路150との間に接続され、両回路間で電力変換を行なう。図1には、交流回路150が3相交流系統の場合が示され、U相、V相、W相にそれぞれ対応して3個のレグ回路40u,40v,40wが設けられている。レグ回路40u,40v,40wにそれぞれ設けられた交流端子Nu,Nv,Nwは、変圧器140を介して交流回路150に接続される。交流回路150は、例えば、交流電源等を含む交流電力系統である。 A leg circuit 40 is provided for each of the multiple phases that make up the AC. The leg circuit 40 is connected between the DC circuit 130 and the AC circuit 150, and performs power conversion between the two circuits. Figure 1 shows a case where the AC circuit 150 is a three-phase AC system, with three leg circuits 40u, 40v, and 40w provided corresponding to the U phase, V phase, and W phase, respectively. AC terminals Nu, Nv, and Nw provided in the leg circuits 40u, 40v, and 40w, respectively, are connected to the AC circuit 150 via a transformer 140. The AC circuit 150 is, for example, an AC power system including an AC power source, etc.

各レグ回路40に共通に接続された正極直流端子Npおよび負極直流端子Nnは、直流回路130に接続される。直流回路130は、例えば、直流送電網等を含む直流電力系統または他の電力変換装置の直流端子である。 The positive DC terminal Np and negative DC terminal Nn, which are commonly connected to each leg circuit 40, are connected to the DC circuit 130. The DC circuit 130 is, for example, the DC terminals of a DC power system including a DC transmission network or other power conversion device.

レグ回路40uは、正極直流端子Npから交流端子Nuまでの正側アームと、負極直流端子Nnから交流端子Nuまでの負側アームとを含む。正側アームと負側アームとの接続点である交流端子Nuが変圧器140と接続される。レグ回路40v,40wについても同様の構成を有している。 Leg circuit 40u includes a positive arm from the positive DC terminal Np to the AC terminal Nu, and a negative arm from the negative DC terminal Nn to the AC terminal Nu. The AC terminal Nu, which is the connection point between the positive arm and the negative arm, is connected to the transformer 140. Leg circuits 40v and 40w have a similar configuration.

正側アームは、カスケード接続された複数の変換器セル10と、リアクトル14Pとを含む。当該複数の変換器セル10およびリアクトル14Pは互いに直列接続されている。負側アームは、カスケード接続された複数の変換器セル10と、リアクトル14Nとを含む。当該複数の変換器セル10およびリアクトル14Nは互いに直列接続されている。 The positive arm includes a plurality of cascaded converter cells 10 and a reactor 14P. The plurality of converter cells 10 and the reactor 14P are connected in series with each other. The negative arm includes a plurality of cascaded converter cells 10 and a reactor 14N. The plurality of converter cells 10 and the reactor 14N are connected in series with each other.

リアクトル14Pが挿入される位置は、正側アームのいずれの位置であってもよく、リアクトル14Nが挿入される位置は、負側アームのいずれの位置であってもよい。リアクトル14P,14Nはそれぞれ複数個あってもよい。リアクトル14Pと、リアクトル14Nとを磁気結合させて1つのリアクトルとしてもよい。リアクトル14Pのみ、もしくは、リアクトル14Nのみを設けてもよい。なお、リアクトルを設ける代わりに、配線インダクタンス等の寄生インダクタンスによって、リアクトルの代替の役割を果たす構成であってもよい。 Reactor 14P may be inserted at any position on the positive arm, and reactor 14N may be inserted at any position on the negative arm. There may be multiple reactors 14P and 14N. Reactor 14P and reactor 14N may be magnetically coupled to form a single reactor. Only reactor 14P or only reactor 14N may be provided. Note that instead of providing a reactor, a configuration may be used in which parasitic inductance such as wiring inductance serves as a substitute for the reactor.

制御装置120は、図示しない各種の電気量検出器(例えば、交流電圧検出器と、交流電流検出器、直流電圧検出器、アーム電流検出器等)により検出された検出信号に基づいて、電力変換器110を制御する。制御装置120は、専用回路によって構成してもよいし、その一部または全部をFPGA(Field Programmable Gate Array)、ASIC(Application Specific Integrated Circuit)、マイクロプロセッサ等によって構成してもよい。 The control device 120 controls the power converter 110 based on detection signals detected by various electrical quantity detectors (not shown) (e.g., an AC voltage detector, an AC current detector, a DC voltage detector, an arm current detector, etc.). The control device 120 may be configured as a dedicated circuit, or part or all of it may be configured as an FPGA (Field Programmable Gate Array), an ASIC (Application Specific Integrated Circuit), a microprocessor, etc.

<変換器セルの構成>
図2は、変換器セルの構成例を示す図である。図2を参照して、変換器セル10は、セル制御部15と、直列接続されたスイッチング回路21およびスイッチング回路22と、バイパス要素25と、高電位側の入出力端子Poと、低電位側の入出力端子Noとを含む。
<Configuration of converter cell>
2 is a diagram showing an example of the configuration of a converter cell 10. Referring to Fig. 2, the converter cell 10 includes a cell control unit 15, a switching circuit 21 and a switching circuit 22 connected in series, a bypass element 25, a high-potential side input/output terminal Po, and a low-potential side input/output terminal No.

スイッチング回路21,22は、ハーフブリッジ回路で構成される。具体的には、スイッチング回路21は、半導体素子31と、半導体素子32と、エネルギー蓄積要素としてのコンデンサEPとを含む。 Switching circuits 21 and 22 are configured as half-bridge circuits. Specifically, switching circuit 21 includes semiconductor elements 31 and 32, and a capacitor EP as an energy storage element.

半導体素子31は、スイッチング素子31sとダイオード31dとを含む。ダイオード31dは、スイッチング素子31sと逆並列(すなわち、並列かつ逆バイアス方向)に接続される。半導体素子32は、スイッチング素子32sとダイオード32dとを含む。ダイオード32dは、スイッチング素子32sと逆並列に接続される。なお、スイッチング素子31sはダイオード31dを含むように構成されていてもよい。 The semiconductor element 31 includes a switching element 31s and a diode 31d. The diode 31d is connected in anti-parallel (i.e., parallel and reverse biased) with the switching element 31s. The semiconductor element 32 includes a switching element 32s and a diode 32d. The diode 32d is connected in anti-parallel with the switching element 32s. Note that the switching element 31s may be configured to include the diode 31d.

スイッチング回路22は、半導体素子33と、半導体素子34と、エネルギー蓄積要素としてのコンデンサENとを含む。半導体素子33は、スイッチング素子33sとダイオード33dとを含む。ダイオード33dは、スイッチング素子33sと逆並列に接続される。半導体素子34は、スイッチング素子34sとダイオード34dとを含む。ダイオード34dは、スイッチング素子34sと逆並列に接続される。 The switching circuit 22 includes a semiconductor element 33, a semiconductor element 34, and a capacitor EN as an energy storage element. The semiconductor element 33 includes a switching element 33s and a diode 33d. The diode 33d is connected in anti-parallel to the switching element 33s. The semiconductor element 34 includes a switching element 34s and a diode 34d. The diode 34d is connected in anti-parallel to the switching element 34s.

スイッチング素子31s,32s,33s,34sは、例えば、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)、GCT(Gate Commutated Turn-off thyristor)、MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor)等のスイッチング素子により構成される。 Switching elements 31s, 32s, 33s, and 34s are composed of switching elements such as IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors), GCTs (Gate Commutated Turn-off Thyristors), and MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistors).

コンデンサEPは、半導体素子31および半導体素子32を含む直列体に並列接続され、直流電圧を保持する。半導体素子31の負極端子と半導体素子32の正極端子との接続点には、入出力端子Poが接続される。コンデンサEPの正極端子は半導体素子31の正極端子と接続され、コンデンサEPの負極端子は半導体素子32の負極端子と接続される。 Capacitor EP is connected in parallel to a series circuit including semiconductor element 31 and semiconductor element 32, and holds a DC voltage. An input/output terminal Po is connected to the connection point between the negative terminal of semiconductor element 31 and the positive terminal of semiconductor element 32. The positive terminal of capacitor EP is connected to the positive terminal of semiconductor element 31, and the negative terminal of capacitor EP is connected to the negative terminal of semiconductor element 32.

コンデンサENは、半導体素子33および半導体素子34を含む直列体に並列接続される。半導体素子33の負極端子と半導体素子34の正極端子との接続点には、入出力端子Noが接続される。コンデンサENの正極端子は半導体素子33の正極端子と接続され、コンデンサENの負極端子は半導体素子34の負極端子と接続される。 Capacitor EN is connected in parallel to a series circuit including semiconductor element 33 and semiconductor element 34. Input/output terminal No is connected to the connection point between the negative terminal of semiconductor element 33 and the positive terminal of semiconductor element 34. The positive terminal of capacitor EN is connected to the positive terminal of semiconductor element 33, and the negative terminal of capacitor EN is connected to the negative terminal of semiconductor element 34.

バイパス要素25は、入出力端子Poと、入出力端子Noとの間に接続される。バイパス要素25が閉路(すなわち、オン)することによって、変換器セル10がバイパスされる。例えば、バイパス要素25は、変換器セル10の各素子(例えば、半導体素子31~34等)が故障した場合に、当該変換器セル10をバイパスさせる際に利用される。これにより、複数の変換器セル10のうちの任意の変換器セル10が故障しても、他の変換器セル10を利用することにより電力変換器110の運転継続が可能となる。 The bypass element 25 is connected between the input/output terminal Po and the input/output terminal No. When the bypass element 25 is closed (i.e., turned on), the converter cell 10 is bypassed. For example, the bypass element 25 is used to bypass the converter cell 10 when an element of the converter cell 10 (e.g., semiconductor elements 31-34, etc.) fails. As a result, even if any one of the multiple converter cells 10 fails, the power converter 110 can continue to operate by using the other converter cells 10.

セル制御部15は、スイッチング回路21,22の動作を制御する。セル制御部15は、定常動作(例えば、スイッチング回路21,22に異常が発生していないときの電力変換動作)時においては、スイッチング素子31s~34sをオン状態またはオフ状態に制御して、入出力端子Po,No間にゼロ電圧または正電圧を出力する。スイッチング回路21,22の異常発生時におけるセル制御部15の動作については後述する。なお、セル制御部15は、例えば、ASIC、FPGA、またはこれらを組み合わせたもの等で構成される。 The cell control unit 15 controls the operation of the switching circuits 21 and 22. During steady-state operation (e.g., power conversion operation when no abnormalities occur in the switching circuits 21 and 22), the cell control unit 15 controls the switching elements 31s to 34s to the on or off state, outputting zero voltage or a positive voltage between the input/output terminals Po and No. The operation of the cell control unit 15 when an abnormality occurs in the switching circuits 21 and 22 will be described later. The cell control unit 15 is configured, for example, by an ASIC, an FPGA, or a combination of these.

図2に示す変換器セル10では、2つのスイッチング回路21,22が直列接続されているため、各スイッチング回路21,22への印加電圧が低減される。したがって、このような変換器セル10の構成は、MMCの小型化および高密度化によって、変換器セル10に印加される電圧が高電圧となる場合に特に有用である。 In the converter cell 10 shown in Figure 2, the two switching circuits 21, 22 are connected in series, which reduces the voltage applied to each of the switching circuits 21, 22. Therefore, this type of converter cell 10 configuration is particularly useful when the voltage applied to the converter cell 10 becomes high due to the miniaturization and high density of MMCs.

<スイッチング回路の異常時の動作>
変換器セル10のいずれかで異常(例えば、半導体素子の故障、半導体素子のゲート駆動部に用いる制御電源の異常等)が検出された場合、当該異常が検出された変換器セル10のバイパス要素25が閉路されて、変換器セル10がバイパスされる。
<Operation when switching circuit is abnormal>
If an abnormality (e.g., a failure of a semiconductor element, an abnormality in the control power supply used in the gate drive unit of the semiconductor element, etc.) is detected in any of the converter cells 10, the bypass element 25 of the converter cell 10 in which the abnormality is detected is closed, and the converter cell 10 is bypassed.

定常動作と同等の動作が実行されるように、変換器セル10の数を冗長設計していれば、いずれかの変換器セル10が異常となった場合でも、異常になった変換器セル10をバイパスすることにより、電力変換器110は、継続的に電力変換動作を実行できる。しかし、以下のような問題が発生し得る。 If the number of converter cells 10 is designed to be redundant so that operation equivalent to steady-state operation is performed, even if one of the converter cells 10 becomes abnormal, the power converter 110 can continue to perform power conversion operation by bypassing the abnormal converter cell 10. However, the following problems can occur.

図3は、バイパス要素の閉路時に発生し得る短絡電流の経路の一例を示す図である。図3を参照して、スイッチング回路21の上アームを構成する半導体素子31が短絡状態になった場合を想定する。この場合、半導体素子31の異常(すなわち、短絡故障)が検出されてバイパス要素25が閉路される。しかし、それに伴って、コンデンサEPに充電されたエネルギー電荷が放電され、コンデンサEP、半導体素子31、バイパス要素25、半導体素子33の経路R1で短絡電流(すなわち、過電流)が流れる。 Figure 3 shows an example of a short-circuit current path that can occur when the bypass element is closed. Referring to Figure 3, let's consider a case where semiconductor element 31, which constitutes the upper arm of switching circuit 21, is short-circuited. In this case, an abnormality (i.e., a short-circuit fault) in semiconductor element 31 is detected, and bypass element 25 is closed. However, this causes the energy charge stored in capacitor EP to be discharged, and a short-circuit current (i.e., an overcurrent) flows along path R1, which runs from capacitor EP through semiconductor element 31, bypass element 25, and semiconductor element 33.

図4は、バイパス要素の閉路時に発生し得る短絡電流の経路の他の例を示す図である。図4を参照して、スイッチング回路22の下アームを構成する半導体素子34が短絡状態になった場合を想定する。この場合、半導体素子34の異常(すなわち、短絡故障)が検出されてバイパス要素25が閉路される。しかし、それに伴って、コンデンサENに充電されたエネルギー電荷が放電され、コンデンサEN、半導体素子32、バイパス要素25、半導体素子34の経路R2で短絡電流が流れる。 Figure 4 shows another example of a short-circuit current path that can occur when the bypass element is closed. Referring to Figure 4, consider a case where semiconductor element 34, which constitutes the lower arm of switching circuit 22, is short-circuited. In this case, an abnormality (i.e., a short-circuit fault) in semiconductor element 34 is detected, and bypass element 25 is closed. However, this causes the energy charge stored in capacitor EN to be discharged, and a short-circuit current flows through path R2, which runs from capacitor EN through semiconductor element 32, bypass element 25, and semiconductor element 34.

バイパス要素25は、通常の電力変換動作時に変換器セル10に流れる電流値に基づいて設計され、通常、その電流値は数kA以下である。一方、図3および図4に示す短絡電流は、数十~数百kAであるため、この短絡電流によってバイパス要素25が損傷する可能性がある。バイパス要素25が損傷した場合、電力変換装置100は電力変換動作を継続することができない。 The bypass element 25 is designed based on the current value that flows through the converter cell 10 during normal power conversion operation, and this current value is usually no more than a few kA. However, the short-circuit current shown in Figures 3 and 4 is several tens to several hundred kA, and this short-circuit current could damage the bypass element 25. If the bypass element 25 is damaged, the power conversion device 100 will be unable to continue power conversion operation.

したがって、本実施の形態に従うセル制御部15は、スイッチング回路21およびスイッチング回路22のうちのいずれかの異常を検出した場合、バイパス要素25を閉路するための制御(以下、「閉路制御」とも称する。)を実行し、半導体素子31(具体的には、スイッチング素子31s)および半導体素子34(具体的には、スイッチング素子34s)の各々をオフ状態にするための制御を実行し、半導体素子32(具体的には、スイッチング素子32s)および半導体素子33(具体的には、スイッチング素子33s)の各々をオン状態にするための制御を実行する。以下、上記のようなオンオフ制御を実行する理由について説明する。 Therefore, when the cell control unit 15 according to this embodiment detects an abnormality in either the switching circuit 21 or the switching circuit 22, it executes control to close the bypass element 25 (hereinafter also referred to as "closing control"), executes control to turn off each of the semiconductor element 31 (specifically, switching element 31s) and the semiconductor element 34 (specifically, switching element 34s), and executes control to turn on each of the semiconductor element 32 (specifically, switching element 32s) and the semiconductor element 33 (specifically, switching element 33s). The reasons for executing the above-mentioned on/off control are explained below.

(半導体素子31の異常時)
セル制御部15が、半導体素子31の短絡故障に関連する異常(以下、「短絡関連異常」とも称する。)を検出したとする。短絡関連異常の一例は、制御電源の異常である。制御電源は、半導体素子をオンオフするためのゲート駆動部に供給される電源、オンオフのロジックを決定する制御基板に供給される電源等である。典型的には、ゲート駆動部および制御基板は、セル制御部15に含まれる。セル制御部15は、制御電源の電圧を検知し、当該電圧が正常動作範囲の電圧か否かを判断する。セル制御部15は、当該電圧が正常動作範囲を逸脱している場合に半導体素子31の短絡関連異常を検出する。なお、他の半導体素子32~34の異常検出方法についても同様である。
(When an abnormality occurs in the semiconductor element 31)
Assume that the cell control unit 15 detects an abnormality related to a short-circuit fault in the semiconductor element 31 (hereinafter also referred to as a "short-circuit-related abnormality"). An example of a short-circuit-related abnormality is an abnormality in the control power supply. The control power supply is a power supply supplied to a gate driver for turning the semiconductor element on and off, a power supply supplied to a control board that determines the on/off logic, etc. Typically, the gate driver and the control board are included in the cell control unit 15. The cell control unit 15 detects the voltage of the control power supply and determines whether the voltage is within the normal operating range. If the voltage is outside the normal operating range, the cell control unit 15 detects a short-circuit-related abnormality in the semiconductor element 31. The same method of detecting abnormalities in the other semiconductor elements 32 to 34 applies.

この場合、セル制御部15は、バイパス要素25の閉路制御を実行し、当該閉路制御に応じてバイパス要素25の閉路が確立される(すなわち、バイパス要素25が完全に閉路する)前の期間において、上記のようなオンオフ制御を実行する。具体的には、セル制御部15は、半導体素子31,34に対してオフ状態にするための制御信号(以下、「オフ信号」とも称する。)を出力し、半導体素子32,33に対してオン状態にするための制御信号(以下、「オン信号」とも称する。)を出力する。これにより、半導体素子32,33はオン状態、半導体素子34はオフ状態となる。ただし、半導体素子31は短絡状態であるため、オフ状態にはならない。その結果、図5に示すような短絡電流の経路が形成される。 In this case, the cell control unit 15 executes closing control of the bypass element 25, and executes the above-described on/off control in the period before the bypass element 25 is closed in response to the closing control (i.e., before the bypass element 25 is completely closed). Specifically, the cell control unit 15 outputs a control signal (hereinafter also referred to as an "off signal") to semiconductor elements 31 and 34 to turn them off, and outputs a control signal (hereinafter also referred to as an "on signal") to semiconductor elements 32 and 33 to turn them on. As a result, semiconductor elements 32 and 33 are turned on, and semiconductor element 34 is turned off. However, since semiconductor element 31 is in a short-circuited state, it does not turn off. As a result, a short-circuit current path such as that shown in Figure 5 is formed.

図5は、オンオフ制御実行時における短絡電流の経路の一例である。図5を参照して、バイパス要素25が閉路される前の状態において、半導体素子32をオン状態にすることにより、半導体素子31,32が導通状態となるため、コンデンサEP、半導体素子31、半導体素子32の経路R3で短絡電流が流れる。これにより、コンデンサEPに蓄積されたエネルギーが消費され(すなわち、電荷が放電され)るため、バイパス要素25が実際に閉路される時点では、コンデンサEPに蓄積されたエネルギーが十分消費された状態となる。したがって、バイパス要素25の閉路後に図3の経路R1で流れる短絡電流が抑制され、バイパス要素25の損傷を防止できる。 Figure 5 shows an example of a short-circuit current path when on/off control is being executed. Referring to Figure 5, before bypass element 25 is closed, semiconductor element 32 is turned on, placing semiconductor elements 31 and 32 in a conductive state, causing a short-circuit current to flow through path R3 between capacitor EP, semiconductor element 31, and semiconductor element 32. This consumes the energy stored in capacitor EP (i.e., the charge is discharged), so that by the time bypass element 25 is actually closed, the energy stored in capacitor EP has been fully consumed. Therefore, the short-circuit current flowing through path R1 in Figure 3 after bypass element 25 is closed is suppressed, preventing damage to bypass element 25.

ここで、バイパス要素25への閉路信号と、半導体素子31~34へのオンオフ信号の出力タイミングについて説明する。通常、バイパス要素25は機械スイッチで構成されているため、バイパス要素25に閉路信号を与えてから実際にバイパス要素25が閉路されるまでの時間は数ms程度である。一方、半導体素子にオンオフ信号を与えてから実際に半導体素子がオンオフされるまでの時間は数μs程度である。 Here, we will explain the output timing of the close signal to the bypass element 25 and the on/off signals to the semiconductor elements 31-34. Because the bypass element 25 is typically composed of a mechanical switch, the time from when the close signal is given to the bypass element 25 until the bypass element 25 actually closes is about a few ms. On the other hand, the time from when the on/off signal is given to the semiconductor element until the semiconductor element actually turns on or off is about a few μs.

したがって、セル制御部15からバイパス要素25への閉路信号と、半導体素子31~34へのオンオフ信号が同時に出力された場合であっても、バイパス要素25の閉路が確立する前に、半導体素子31~34のオンオフ状態が確立され、図5に示す電流の経路R3が形成される。なお、上記機械スイッチ以外のバイパス要素25を用いる場合には、閉路信号を与えてから数十μs以上の値で閉路されるものを用いてもよい。なお、半導体素子31~34へのオンオフ信号の出力タイミングは、バイパス要素25への閉路信号の出力タイミングよりも前であってもよい。 Therefore, even if the cell control unit 15 simultaneously outputs a close signal to the bypass element 25 and an on/off signal to the semiconductor elements 31-34, the on/off states of the semiconductor elements 31-34 are established before the bypass element 25 is closed, forming the current path R3 shown in Figure 5. Note that when using a bypass element 25 other than the mechanical switch described above, it is also possible to use one that closes several tens of microseconds or more after the close signal is applied. Note that the output timing of the on/off signal to the semiconductor elements 31-34 may precede the output timing of the close signal to the bypass element 25.

ここで、半導体素子31の短絡関連異常時に、半導体素子34をオフ状態にする理由について説明する。上述したように、半導体素子31,32が導通状態になるとコンデンサEPの電荷が経路R3で放電され、バイパス要素25が閉路すると経路R1で電流が流れる。この状態で、仮に半導体素子34がオン状態になると、図4の経路R2で電流が流れてしまう。この場合、エネルギーが十分蓄積された状態のコンデンサENから電荷が放電されるため、経路R2で流れる電流は過電流となり、バイパス要素25が損傷する可能性がある。したがって、半導体素子34をオフ状態にしてコンデンサENからの放電を防止する。 Here, we will explain why semiconductor element 34 is turned off when a short-circuit-related abnormality occurs in semiconductor element 31. As described above, when semiconductor elements 31 and 32 are conductive, the charge in capacitor EP is discharged via path R3, and when bypass element 25 is closed, current flows via path R1. If semiconductor element 34 were to be turned on in this state, current would flow via path R2 in Figure 4. In this case, charge would be discharged from capacitor EN, which has sufficient stored energy, so the current flowing via path R2 would become an overcurrent, potentially damaging bypass element 25. Therefore, semiconductor element 34 is turned off to prevent discharge from capacitor EN.

また、半導体素子31が短絡故障してからバイパス要素25が実際に閉路されるまでの間、変換器セル10をバイパスするための電流経路を形成する必要がある。 In addition, a current path must be formed to bypass the converter cell 10 between the time when the semiconductor element 31 short-circuits and the time when the bypass element 25 is actually closed.

図6は、変換器セル10をバイパスするための電流経路を示す図である。図6を参照して、半導体素子32,33をオン状態に制御することにより、経路R4で電流を流すことができる。これにより、変換器セル10はバイパスされる。したがって、半導体素子33はオン状態にする必要がある。 Figure 6 shows the current path for bypassing the converter cell 10. Referring to Figure 6, by controlling the semiconductor elements 32 and 33 to the on state, current can be passed through path R4. This bypasses the converter cell 10. Therefore, the semiconductor element 33 must be turned on.

上記より、半導体素子31の短絡関連異常時には、経路R3(図5参照)で電流を流してコンデンサEPのエネルギーを消費させるために半導体素子32をオン状態にし、コンデンサENからの過電流が経路R2(図4参照)でバイパス要素25に流れないように半導体素子34をオフ状態にし、経路R4(図6参照)で電流を流して変換器セル10がバイパスされるように半導体素子33をオン状態にする。 As described above, in the event of a short-circuit related abnormality in semiconductor element 31, semiconductor element 32 is turned on to allow current to flow through path R3 (see Figure 5) and consume the energy of capacitor EP, semiconductor element 34 is turned off to prevent overcurrent from capacitor EN from flowing to bypass element 25 through path R2 (see Figure 4), and semiconductor element 33 is turned on to allow current to flow through path R4 (see Figure 6) and bypass converter cell 10.

(半導体素子34の異常時)
セル制御部15が、半導体素子34の短絡関連異常を検出したとする。この場合でも、セル制御部15は、バイパス要素25に閉路信号を出力するとともに、半導体素子31,34に対してオフ信号を出力し、半導体素子32,33に対してオン信号を出力する。ただし、半導体素子34は短絡状態であるため、オフ状態にはならない。その結果、図7に示すような短絡電流の経路が形成される。
(When an abnormality occurs in the semiconductor element 34)
Assume that the cell control unit 15 detects a short-circuit-related abnormality in the semiconductor element 34. In this case, the cell control unit 15 also outputs a close signal to the bypass element 25, outputs an OFF signal to the semiconductor elements 31 and 34, and outputs an ON signal to the semiconductor elements 32 and 33. However, since the semiconductor element 34 is in a short-circuit state, it does not enter an OFF state. As a result, a short-circuit current path is formed as shown in FIG. 7.

図7は、オンオフ制御実行時における短絡電流の経路の他の例を示す図である。図7を参照して、バイパス要素25が閉路される前の状態において、半導体素子33をオン状態にすることにより、半導体素子33,34が導通状態となるため、コンデンサEN、半導体素子33、半導体素子34の経路R5で短絡電流が流れる。これにより、コンデンサENに蓄積されたエネルギーが消費されるため、バイパス要素25が実際に閉路される時点では、コンデンサENに蓄積されたエネルギーが十分消費された状態となる。したがって、バイパス要素25の閉路後に図4の経路R2で流れる短絡電流が抑制され、バイパス要素25の損傷を防止できる。 Figure 7 shows another example of the path of short-circuit current when on/off control is being executed. Referring to Figure 7, before bypass element 25 is closed, semiconductor element 33 is turned on, placing semiconductor elements 33 and 34 in a conductive state, causing short-circuit current to flow through path R5 of capacitor EN, semiconductor element 33, and semiconductor element 34. This consumes the energy stored in capacitor EN, and by the time bypass element 25 is actually closed, the energy stored in capacitor EN has been fully consumed. Therefore, the short-circuit current flowing through path R2 in Figure 4 after bypass element 25 is closed is suppressed, preventing damage to bypass element 25.

半導体素子34の短絡関連異常時に、半導体素子31をオフ状態にする理由について説明する。具体的には、半導体素子33,34が導通状態になるとコンデンサENの電荷が図7の経路R5で放電され、バイパス要素25が閉路すると図4の経路R2で電流が流れる。この状態で、仮に半導体素子31がオン状態になると、図3の経路R1で過電流が流れてしまうためバイパス要素25が損傷する可能性がある。したがって、半導体素子31はオフ状態にしてコンデンサEPからの放電を防止する。 The reason why semiconductor element 31 is turned off when an abnormality related to a short circuit in semiconductor element 34 occurs will be explained. Specifically, when semiconductor elements 33 and 34 are conductive, the charge in capacitor EN is discharged via path R5 in Figure 7, and when bypass element 25 is closed, current flows via path R2 in Figure 4. If semiconductor element 31 were to be turned on in this state, an overcurrent would flow via path R1 in Figure 3, potentially damaging bypass element 25. Therefore, semiconductor element 31 is turned off to prevent discharge from capacitor EP.

また、半導体素子34が短絡故障してからバイパス要素25が実際に閉路されるまでの間、変換器セル10をバイパスするための電流経路(すなわち、図6の経路R4)を形成するために、半導体素子32がオン状態に制御される。 In addition, between the time when semiconductor element 34 short-circuits and the time when bypass element 25 is actually closed, semiconductor element 32 is controlled to the on state to form a current path (i.e., path R4 in Figure 6) for bypassing converter cell 10.

上記より、半導体素子34の短絡関連異常時には、経路R5(図7参照)で電流を流してコンデンサENのエネルギーを消費させるために半導体素子33をオン状態にし、コンデンサEPからの過電流が経路R1(図3参照)でバイパス要素25に流れないように半導体素子31をオフ状態にし、経路R4(図6参照)で電流を流して変換器セル10がバイパスされるように半導体素子32をオン状態にする。 As described above, in the event of a short-circuit related abnormality in semiconductor element 34, semiconductor element 33 is turned on to allow current to flow through path R5 (see Figure 7) to consume the energy of capacitor EN, semiconductor element 31 is turned off to prevent overcurrent from capacitor EP from flowing to bypass element 25 through path R1 (see Figure 3), and semiconductor element 32 is turned on to allow current to flow through path R4 (see Figure 6) to bypass converter cell 10.

(半導体素子32,33の異常時)
セル制御部15が、半導体素子32または半導体素子33の短絡関連異常を検出したとする。この場合でも、セル制御部15は、バイパス要素25に閉路信号を出力するとともに、半導体素子31,34に対してオフ信号を出力し、半導体素子32,33に対してオン信号を出力する。
(When an abnormality occurs in the semiconductor elements 32 and 33)
Assume that the cell control unit 15 detects a short-circuit-related abnormality in the semiconductor element 32 or the semiconductor element 33. In this case, the cell control unit 15 also outputs a close signal to the bypass element 25, outputs an OFF signal to the semiconductor elements 31 and 34, and outputs an ON signal to the semiconductor elements 32 and 33.

半導体素子32または半導体素子33において短絡関連異常が検出された場合、バイパス要素25が閉路された状態で、仮に半導体素子31がオン状態になると図3の経路R1で過電流が流れる。そのため、半導体素子31はオフ状態に制御される。これにより、コンデンサEPからの放電を防止できる。バイパス要素25が閉路された状態で、仮に半導体素子34がオン状態になると図4の経路R2で過電流が流れる。そのため、半導体素子34はオフ状態に制御される。これにより、コンデンサENからの放電を防止できる。 If a short-circuit related abnormality is detected in semiconductor element 32 or semiconductor element 33, and if semiconductor element 31 is turned on while bypass element 25 is closed, an overcurrent will flow along path R1 in Figure 3. Therefore, semiconductor element 31 is controlled to the off state, thereby preventing discharge from capacitor EP. If semiconductor element 34 is turned on while bypass element 25 is closed, an overcurrent will flow along path R2 in Figure 4. Therefore, semiconductor element 34 is controlled to the off state, thereby preventing discharge from capacitor EN.

半導体素子32の短絡関連異常時には半導体素子33がオン状態に制御され、半導体素子33の短絡関連異常時には半導体素子32がオン状態に制御される。これにより、変換器セル10がバイパスされる。 When a short-circuit related abnormality occurs in semiconductor element 32, semiconductor element 33 is controlled to the ON state, and when a short-circuit related abnormality occurs in semiconductor element 33, semiconductor element 32 is controlled to the ON state. This bypasses converter cell 10.

(まとめ)
以上より、スイッチング回路21およびスイッチング回路22のうちのいずれか(すなわち、半導体素子31~34のいずれか)で異常が発生した場合、バイパス要素25の閉路が確立される前の期間において、半導体素子31,34がオフ状態に制御され、半導体素子32,33がオン状態に制御される。これにより、バイパス要素25への過電流が抑制され、バイパス要素25の損傷を防止できる。
(summary)
As described above, if an abnormality occurs in either switching circuit 21 or switching circuit 22 (i.e., any of semiconductor elements 31 to 34), semiconductor elements 31 and 34 are controlled to the OFF state, and semiconductor elements 32 and 33 are controlled to the ON state, during the period before bypass element 25 is closed. This suppresses overcurrent to bypass element 25, preventing damage to bypass element 25.

<フローチャート>
図8は、実施の形態1に従うセル制御部15の処理手順の一例を示すフローチャートである。図8を参照して、セル制御部15は、スイッチング回路21,22のいずれかで異常を検出したか否かを判断する(ステップS10)。当該異常が検出されていない場合(ステップS10においてNO)、セル制御部15はステップS10を繰り返す。
<Flowchart>
8 is a flowchart showing an example of a processing procedure of cell control unit 15 according to the first embodiment. Referring to FIG. 8, cell control unit 15 determines (step S10) whether or not an abnormality has been detected in either switching circuit 21 or 22. If no abnormality has been detected (NO in step S10), cell control unit 15 repeats step S10.

当該異常が検出された場合(ステップS10においてYES)、セル制御部15はバイパス要素25に閉路信号を出力し(ステップS12)、半導体素子31,34にオフ信号を出力し(ステップS14)、半導体素子32,33にオン信号を出力する(ステップS16)。なお、ステップS12,S14,S16の処理は順不同で実施されてもよいし、同時に実施されてもよい。ただし、半導体素子31~34のオンオフ状態が確立された後、バイパス要素25の閉路が確立されるものとする。 If such an abnormality is detected (YES in step S10), the cell control unit 15 outputs a closed signal to the bypass element 25 (step S12), an OFF signal to the semiconductor elements 31 and 34 (step S14), and an ON signal to the semiconductor elements 32 and 33 (step S16). Note that the processing of steps S12, S14, and S16 may be performed in any order or simultaneously. However, it is assumed that the closed circuit of the bypass element 25 is established after the ON/OFF states of the semiconductor elements 31 to 34 are established.

<利点>
実施の形態1によると、各半導体素子31~34において短絡関連異常が発生した場合であっても、バイパス要素25に流れる過電流を抑制してバイパス要素25を適切に保護することができる。したがって、いずれかの変換器セル10に異常が発生した場合であっても、電力変換装置100の運転を継続できる。また、小型、軽量で安価なバイパス要素を採用することもできる。
<Advantages>
According to the first embodiment, even if a short-circuit-related abnormality occurs in each of the semiconductor elements 31 to 34, the bypass element 25 can be appropriately protected by suppressing the overcurrent flowing through the bypass element 25. Therefore, even if an abnormality occurs in any of the converter cells 10, the operation of the power conversion device 100 can be continued. Furthermore, a small, lightweight, and inexpensive bypass element can be adopted.

実施の形態2.
上述した実施の形態1では、半導体素子31~34に短絡関連異常が発生した場合においてバイパス要素25の損傷を防止する構成について説明した。実施の形態2では、半導体素子31~34は正常な状態であるが、バイパス要素25が誤って閉路してしまった場合において、バイパス要素25の損傷を防止する構成について説明する。
Embodiment 2.
In the above-described first embodiment, a configuration has been described that prevents damage to the bypass element 25 when a short-circuit-related abnormality occurs in the semiconductor elements 31 to 34. In the second embodiment, a configuration will be described that prevents damage to the bypass element 25 when the semiconductor elements 31 to 34 are in a normal state but the bypass element 25 is erroneously closed.

図3を参照して、半導体素子31がオン状態に制御されている場合に、バイパス要素25がノイズなどの影響により誤動作(すなわち、閉路)すると、コンデンサEPが短絡されて経路R1で短絡電流が流れる。半導体素子31が故障に至っていない場合、この短絡電流は、飽和電流値(例えば、数kA程度)に制限される。しかし、半導体素子は数μs~数十μsで故障に至り完全に短絡状態となる。この場合、バイパス要素25に流れる電流は、瞬時に数十kA~数百kAに上昇してしまう。 Referring to Figure 3, if the bypass element 25 malfunctions (i.e., closes) due to noise or other factors while the semiconductor element 31 is controlled to the on state, capacitor EP is shorted and a short-circuit current flows through path R1. If the semiconductor element 31 has not yet failed, this short-circuit current is limited to a saturation current value (e.g., several kA). However, the semiconductor element will fail within several μs to several tens of μs and enter a completely short-circuited state. In this case, the current flowing through the bypass element 25 will instantly rise to several tens to several hundred kA.

これを防止するために、セル制御部15は、半導体素子31を保護するためのアーム短絡保護機能を有する。アーム短絡保護機能は、半導体素子31を介してコンデンサEPが短絡することにより流れる短絡電流から、半導体素子31を保護する機能である。 To prevent this, the cell control unit 15 has an arm short-circuit protection function to protect the semiconductor element 31. The arm short-circuit protection function protects the semiconductor element 31 from short-circuit current that flows when the capacitor EP shorts out through the semiconductor element 31.

セル制御部15は、半導体素子31に短絡電流が流れたことを直接的、あるいは間接的に検出し、半導体素子31を遮断(例えば、オフ状態に)する。セル制御部15は、半導体素子31が故障に至るまでの数μs~数十μs以内に当該遮断を実現することにより、短絡電流を除去する。 The cell control unit 15 directly or indirectly detects that a short-circuit current has flowed through the semiconductor element 31 and shuts off the semiconductor element 31 (for example, by switching it to the off state). The cell control unit 15 achieves this shutoff within a few microseconds to a few tens of microseconds before the semiconductor element 31 fails, thereby eliminating the short-circuit current.

半導体素子は、一般的に2μs~10μs以内であれば短絡電流に対して耐量特性(すなわち、壊れない特性)を有している。そのため、短絡電流が発生してから2μs~10μs以内に半導体素子31を遮断することにより半導体素子31を保護できる。これにより、半導体素子31は故障しないため、バイパス要素25に数十kA~数百kAの電流が流れることを防止できる。よって、バイパス要素25の損傷を防止することができる。 Semiconductor elements generally have tolerance characteristics (i.e., the ability to withstand short-circuit currents within 2 μs to 10 μs). Therefore, semiconductor element 31 can be protected by shutting it off within 2 μs to 10 μs after a short-circuit current occurs. This prevents semiconductor element 31 from breaking down, preventing currents of tens to hundreds of kA from flowing through bypass element 25. This prevents damage to bypass element 25.

セル制御部15は、通常制御する場合のスイッチング動作よりも遅いスイッチング動作により、遮断させる「ソフト遮断」という動作により半導体素子31を遮断してもよい。これは、半導体素子の飽和電流は通常制御する電流よりも大きいため、遮断時に半導体素子の両端に発生するサージ電圧を抑制させるために行なわれる。 The cell control unit 15 may shut off the semiconductor element 31 using a "soft shutdown" operation, which shuts off the semiconductor element 31 using a switching operation that is slower than the switching operation used in normal control. This is done to suppress the surge voltage that occurs across the semiconductor element when it is shut off, since the saturation current of the semiconductor element is larger than the current that is normally controlled.

次に、半導体素子34がオン状態のときにバイパス要素25が誤動作(すなわち、閉路)した場合において、バイパス要素25の損傷を防止する構成について説明する。図4を参照して、半導体素子34がオン状態に制御されている場合に、バイパス要素25が誤動作すると、コンデンサENが短絡されて経路R2で短絡電流が流れる。半導体素子34が数μs~数十μsで完全に短絡状態となる点は上述した通りである。 Next, we will explain the configuration that prevents damage to the bypass element 25 when the bypass element 25 malfunctions (i.e., closes) while the semiconductor element 34 is in the on state. Referring to Figure 4, if the bypass element 25 malfunctions while the semiconductor element 34 is controlled to the on state, capacitor EN is short-circuited and a short-circuit current flows through path R2. As mentioned above, the semiconductor element 34 becomes completely short-circuited within a few microseconds to a few tens of microseconds.

したがって、セル制御部15は、半導体素子34を介してコンデンサENが短絡することにより流れる短絡電流から、半導体素子34を保護するアーム短絡保護機能を有する。セル制御部15は、半導体素子34に短絡電流が流れたことを検出し、半導体素子34が故障に至るまでの間に、半導体素子34を遮断して短絡電流を除去する。なお、セル制御部15は、半導体素子32,33に対してオン信号を出力してもよい。 The cell control unit 15 therefore has an arm short-circuit protection function that protects the semiconductor element 34 from short-circuit current that flows when the capacitor EN is shorted via the semiconductor element 34. The cell control unit 15 detects that a short-circuit current has flowed through the semiconductor element 34, and cuts off the semiconductor element 34 to remove the short-circuit current before the semiconductor element 34 fails. The cell control unit 15 may also output an ON signal to the semiconductor elements 32 and 33.

図9は、短絡電流の検出方式の一例を説明するための図である。図9を参照して、変換器セル10において、電流センサ51~55が設けられている。電流センサ51はコンデンサEPと半導体素子31との間に設けられ、電流センサ52は半導体素子31,32の接続点とバイパス要素25との間に設けられ、電流センサ53は半導体素子33,34の接続点とバイパス要素25との間に設けられる。電流センサ54はコンデンサENと半導体素子34との間に設けられ、電流センサ55は、コンデンサEPおよびコンデンサENの接続点と半導体素子32,33の接続点との間に設けられる。 Figure 9 is a diagram illustrating an example of a short-circuit current detection method. Referring to Figure 9, current sensors 51 to 55 are provided in converter cell 10. Current sensor 51 is provided between capacitor EP and semiconductor element 31, current sensor 52 is provided between the connection point of semiconductor elements 31, 32 and bypass element 25, and current sensor 53 is provided between the connection point of semiconductor elements 33, 34 and bypass element 25. Current sensor 54 is provided between capacitor EN and semiconductor element 34, and current sensor 55 is provided between the connection point of capacitor EP and capacitor EN and the connection point of semiconductor elements 32, 33.

セル制御部15は、電流センサ51~55の少なくとも1つからの検出信号に基づいて短絡電流を検出した場合(すなわち、半導体素子31に流れる短絡電流または半導体素子34に流れる短絡電流を検出した場合)、半導体素子31および半導体素子34を遮断(すなわち、オフ状態に制御)する。なお、電流センサ51~55の少なくとも1つが設けられていればよい。 When the cell control unit 15 detects a short-circuit current based on the detection signal from at least one of the current sensors 51-55 (i.e., when it detects a short-circuit current flowing through the semiconductor element 31 or the semiconductor element 34), it shuts off the semiconductor element 31 and the semiconductor element 34 (i.e., controls them to the off state). It is sufficient that at least one of the current sensors 51-55 is provided.

図10は、短絡電流の検出方式の他の例を説明するための図である。図10を参照して、セル制御部15は、対象とする半導体素子61(例えば、半導体素子31)に対して、ゲート駆動回路60と、短絡電流を検出する検出部62と、短絡電流を検出した場合に遮断動作を行なう遮断部63とを有する。 Figure 10 is a diagram illustrating another example of a short-circuit current detection method. Referring to Figure 10, the cell control unit 15 has, for a target semiconductor element 61 (e.g., semiconductor element 31), a gate drive circuit 60, a detection unit 62 that detects short-circuit current, and a cutoff unit 63 that performs a cutoff operation when a short-circuit current is detected.

検出部62は、半導体素子31にオン信号が入力されている場合にコレクタ電位が規定の電位以上であるか否かを判断する。短絡電流が流れている場合、コンデンサEPの電圧が半導体素子31の両端に印加されているため、オン状態の電圧は上昇する。一方、短絡電流が流れていない場合、半導体素子31の電圧降下は数Vである。検出部62は、検出したコレクタ電位をコンパレータを用いて比較することにより、短絡電流が流れている状態か否かを判断する。 When an ON signal is input to the semiconductor element 31, the detection unit 62 determines whether the collector potential is equal to or greater than a specified potential. When a short-circuit current is flowing, the voltage of capacitor EP is applied to both ends of the semiconductor element 31, causing the ON-state voltage to rise. On the other hand, when no short-circuit current is flowing, the voltage drop across the semiconductor element 31 is several volts. The detection unit 62 determines whether a short-circuit current is flowing by comparing the detected collector potential using a comparator.

遮断部63は、検出部62からの信号を受けて半導体素子31の遮断動作を実行する。遮断部63は、定常動作の遮断時よりも大きな抵抗を介して遮断する“ソフト遮断”を採用してもよい。 The cutoff unit 63 receives a signal from the detection unit 62 and performs a cutoff operation on the semiconductor element 31. The cutoff unit 63 may employ a "soft cutoff" that cuts off via a resistance greater than that used during normal operation.

図11は、短絡電流の検出方式のさらに他の例を説明するための図である。図11を参照して、セル制御部15は、変換器セル10の配線の寄生インダクタンス71,72を利用して短絡電流を検出する。 Figure 11 is a diagram illustrating yet another example of a short-circuit current detection method. Referring to Figure 11, the cell control unit 15 detects short-circuit current using parasitic inductances 71 and 72 in the wiring of the converter cell 10.

半導体素子31において、経路R1(図3参照)の短絡電流が発生しているとする。この場合、短絡電流の時間変化分に基づいて経路R1に発生する自己誘導起電力により、半導体素子31のエミッタ側の寄生インダクタンス71に電圧が発生する。そのため、セル制御部15は、寄生インダクタンス71の電圧に基づいて、半導体素子31に流れる短絡電流を検出する。例えば、セル制御部15は、寄生インダクタンス71の電圧が閾値以上である場合に、短絡電流が発生したと判断する。 Let's assume that a short-circuit current is occurring along path R1 (see Figure 3) in semiconductor element 31. In this case, a self-induced electromotive force is generated along path R1 based on the change in the short-circuit current over time, causing a voltage to be generated in parasitic inductance 71 on the emitter side of semiconductor element 31. Therefore, the cell control unit 15 detects the short-circuit current flowing through semiconductor element 31 based on the voltage of parasitic inductance 71. For example, the cell control unit 15 determines that a short-circuit current has occurred when the voltage of parasitic inductance 71 is equal to or greater than a threshold value.

バイパス要素25を介して流れる短絡電流を検出する際に、図10で説明したコレクタ電位を用いた検出方式を用いる場合、コレクタ電位の上昇が遅いことから、短絡電流の検出自体が難しい、あるいはその検出に時間を要する可能性がある。この点において、図11の検出方式は図10の検出方式よりも有用である。 When detecting short-circuit current flowing through the bypass element 25, if the detection method using the collector potential described in Figure 10 is used, the rise in collector potential is slow, making it difficult to detect the short-circuit current itself, or it may take a long time to detect it. In this respect, the detection method of Figure 11 is more useful than the detection method of Figure 10.

また、セル制御部15は、半導体素子34のエミッタ側の寄生インダクタンス72の電圧を監視することにより、経路R2(図4参照)の短絡電流を検出する。なお、半導体素子33を通る短絡経路(すなわち、経路R1)には半導体素子31が含まれ、半導体素子32を通る短絡経路(すなわち、経路R2)には半導体素子34が含まれる。そのため、セル制御部15は、半導体素子31,34のエミッタ側の寄生インダクタンス71,72の電圧を監視すればよい。 The cell control unit 15 also detects the short-circuit current of path R2 (see Figure 4) by monitoring the voltage of parasitic inductance 72 on the emitter side of semiconductor element 34. Note that the short-circuit path passing through semiconductor element 33 (i.e., path R1) includes semiconductor element 31, and the short-circuit path passing through semiconductor element 32 (i.e., path R2) includes semiconductor element 34. Therefore, the cell control unit 15 only needs to monitor the voltages of parasitic inductances 71 and 72 on the emitter sides of semiconductor elements 31 and 34.

図12は、実施の形態2に従うセル制御部15の処理手順の一例を示すフローチャートである。図12を参照して、セル制御部15は、半導体素子31または半導体素子34に流れる短絡電流を検出したか否かを判断する(ステップS50)。短絡電流が検出されていない場合(ステップS50においてNO)、セル制御部15はステップS50を繰り返す。 Figure 12 is a flowchart showing an example of the processing procedure of the cell control unit 15 according to the second embodiment. Referring to Figure 12, the cell control unit 15 determines whether or not a short-circuit current flowing through the semiconductor element 31 or the semiconductor element 34 has been detected (step S50). If a short-circuit current has not been detected (NO in step S50), the cell control unit 15 repeats step S50.

短絡電流が検出された場合(ステップS50においてYES)、半導体素子31にオフ信号を出力し(ステップS52)、半導体素子34にオフ信号を出力する(ステップS54)。これにより、短絡電流が除去される。なお、ステップS52,S54の処理は順不同で実施されてもよいし、同時に実施されてもよい。また、セル制御部15は、半導体素子32,33にオン信号を出力してもよい。 If a short-circuit current is detected (YES in step S50), an OFF signal is output to semiconductor element 31 (step S52), and an OFF signal is output to semiconductor element 34 (step S54). This removes the short-circuit current. Note that steps S52 and S54 may be performed in any order or simultaneously. Furthermore, cell control unit 15 may output ON signals to semiconductor elements 32 and 33.

実施の形態2によると、バイパス要素25が誤って閉路した場合であっても、バイパス要素25を適切に保護することができる。 According to embodiment 2, the bypass element 25 can be appropriately protected even if the bypass element 25 is accidentally closed.

実施の形態3.
上述した実施の形態1では、半導体素子31の短絡関連異常が発生した場合に、半導体素子32をオン状態にしてコンデンサEPに蓄積されたエネルギーを消費する構成について説明した。しかし、この場合、半導体素子31,32には高電圧が印加された状態で過電流が流れるため、半導体素子31,32の短絡耐量を超えたエネルギーが加えられた場合、半導体素子31,32の破壊規模が大きくなる(例えば、爆発を伴って破壊される)可能性がある。
Embodiment 3.
In the above-described first embodiment, a configuration has been described in which the semiconductor element 32 is turned on to consume the energy stored in the capacitor EP when a short-circuit related abnormality occurs in the semiconductor element 31. However, in this case, an overcurrent flows in the semiconductor elements 31 and 32 when a high voltage is applied thereto, and therefore, if energy exceeding the short-circuit withstand capacity of the semiconductor elements 31 and 32 is applied, the semiconductor elements 31 and 32 may be destroyed to a large extent (for example, destroyed with an explosion).

上記事態による変換器セルの変形を防ぐために、半導体素子あるいは変換器セルには防爆を考慮した設計がなされている。しかし、半導体素子の短絡耐量にはバラツキが存在し、爆発時の状態を正確に把握することは難しいため、防爆設計を施していても、予期せぬ変換器セルの故障を招く可能性がある。また、これにより、バイパス要素あるいはバイパス要素の制御基板等が損傷した場合、バイパス要素による変換器セルのバイパスが困難となり、電力変換器全体の停止を余儀なくされる可能性がある。 To prevent deformation of converter cells due to the above-mentioned events, semiconductor elements or converter cells are designed with explosion-proofing in mind. However, there is variation in the short-circuit tolerance of semiconductor elements, and it is difficult to accurately grasp the state of an explosion. Therefore, even with an explosion-proof design, there is a possibility of unexpected converter cell failure. Furthermore, if this damages the bypass element or the bypass element's control board, it becomes difficult for the bypass element to bypass the converter cell, which could force the entire power converter to shut down.

したがって、実施の形態3では、半導体素子31の短絡関連異常時において、半導体素子31,32の大規模な破壊を回避しつつコンデンサEPを放電し、バイパス要素25を閉路する構成について説明する。 Therefore, in embodiment 3, we describe a configuration in which, in the event of a short-circuit-related abnormality in semiconductor element 31, capacitor EP is discharged and bypass element 25 is closed while avoiding large-scale destruction of semiconductor elements 31 and 32.

図13は、半導体素子が大規模な破壊に至る例を説明するための図である。図13を参照して、半導体素子31の短絡関連異常が発生すると、半導体素子31のコレクタ-エミッタ間の抵抗値が低下する。続いて、セル制御部15は、半導体素子31の短絡関連異常を検出すると、半導体素子32へオン信号を出力する。半導体素子32がオン状態になると、半導体素子32のコレクタ-エミッタ間の抵抗値が低下する。これに伴って、コンデンサEPのエネルギーが消費され始め、半導体素子31,32に印加されるエネルギーが高くなる。 Figure 13 is a diagram illustrating an example in which a semiconductor element suffers large-scale destruction. Referring to Figure 13, when a short-circuit-related abnormality occurs in semiconductor element 31, the resistance value between the collector and emitter of semiconductor element 31 decreases. Subsequently, when cell control unit 15 detects a short-circuit-related abnormality in semiconductor element 31, it outputs an ON signal to semiconductor element 32. When semiconductor element 32 enters the ON state, the resistance value between the collector and emitter of semiconductor element 32 decreases. As a result, energy in capacitor EP begins to be consumed, and the energy applied to semiconductor elements 31 and 32 increases.

そして、半導体素子32がオン状態となってから数μs~数十μs後に、半導体素子31,32に印加されるエネルギーが短絡耐量を超えて半導体素子31,32が破壊される。これは、印加されるエネルギーにより半導体素子31,32の温度が急激に上昇するためである。図13の例では、コンデンサEPのエネルギーが半導体素子31,32ですべて消費される様子が示されている。半導体素子31,32には、数μs~数十μsの時間でコンデンサEPのエネルギーが全て印加されるため、半導体素子31,32の破壊規模は大きくなる。以下、このような半導体素子31,32の大規模な破壊を回避するための半導体素子32の制御方式について説明する。 Then, several microseconds to several tens of microseconds after semiconductor element 32 is turned on, the energy applied to semiconductor elements 31 and 32 exceeds their short-circuit resistance, causing them to be destroyed. This occurs because the applied energy causes the temperature of semiconductor elements 31 and 32 to rise rapidly. The example in Figure 13 shows how all of the energy from capacitor EP is consumed by semiconductor elements 31 and 32. Because all of the energy from capacitor EP is applied to semiconductor elements 31 and 32 within a period of several microseconds to several tens of microseconds, the scale of damage to semiconductor elements 31 and 32 is large. Below, we will explain a control method for semiconductor element 32 that avoids such large-scale damage to semiconductor elements 31 and 32.

図14は、実施の形態3に従う半導体素子の制御方式を説明するための図である。図14を参照して、半導体素子31に短絡関連異常が発生すると、半導体素子31のコレクタ-エミッタ間の抵抗値が低下する。セル制御部15は、半導体素子31の短絡関連異常を検出すると、半導体素子32を断続的にオンオフする制御を開始する。すなわち、半導体素子31の短絡関連異常が検出された場合、セル制御部15は、バイパス要素25の閉路が確立される前の期間において、半導体素子32のオン状態およびオフ状態を交互に切り替える。なお、半導体素子33,34については実施の形態1と同様の制御が行なわれる。具体的には、セル制御部15は、半導体素子33をオン状態に維持し、半導体素子34をオフ状態に維持する。 Figure 14 is a diagram illustrating a semiconductor element control method according to embodiment 3. Referring to Figure 14, when a short-circuit-related abnormality occurs in semiconductor element 31, the resistance value between the collector and emitter of semiconductor element 31 decreases. When cell control unit 15 detects a short-circuit-related abnormality in semiconductor element 31, it begins control to intermittently turn semiconductor element 32 on and off. That is, when a short-circuit-related abnormality in semiconductor element 31 is detected, cell control unit 15 alternately switches semiconductor element 32 between the on state and the off state during the period before bypass element 25 is closed. Semiconductor elements 33 and 34 are controlled in the same way as in embodiment 1. Specifically, cell control unit 15 maintains semiconductor element 33 in the on state and semiconductor element 34 in the off state.

上記制御により、半導体素子32がオン状態のときには半導体素子31,32に印加されるエネルギーは高いが、半導体素子32がオフ状態のときには半導体素子31,32に印加されるエネルギーは低くなる。そのため、コンデンサEPのエネルギーは徐々に消費されていくため、半導体素子31,32の急激な温度上昇を抑制できる。結果として、半導体素子31,32の破壊を防止できる。あるいは、コンデンサEPのエネルギーを十分低減させた状態で半導体素子31,32は破壊に至るため、半導体素子31,32の破壊規模を小さくできる。 By the above control, the energy applied to semiconductor elements 31 and 32 is high when semiconductor element 32 is in the on state, but is low when semiconductor element 32 is in the off state. As a result, the energy of capacitor EP is gradually consumed, suppressing a sudden rise in temperature of semiconductor elements 31 and 32. As a result, damage to semiconductor elements 31 and 32 can be prevented. Alternatively, since semiconductor elements 31 and 32 reach damage when the energy of capacitor EP has been sufficiently reduced, the scale of damage to semiconductor elements 31 and 32 can be reduced.

例えば、バイパス要素25が閉路されるまでの間(例えば、オン信号出力から数ms後)に、半導体素子32を数μsオンし、その後温度低下を待つために数十μs~数百μsのオフ期間を設けたとしても、半導体素子32を数回オンオフさせることができる。 For example, even if the semiconductor element 32 is turned on for a few microseconds before the bypass element 25 is closed (e.g., a few milliseconds after the on signal is output), and then an off period of tens to hundreds of microseconds is provided to allow the temperature to drop, the semiconductor element 32 can be turned on and off several times.

上記では、半導体素子31の短絡関連異常時において、半導体素子32のオン状態およびオフ状態を交互に切り替える構成について説明したが、半導体素子34の短絡関連異常時においても同様の事象が発生し得る。すなわち、半導体素子34に短絡関連異常が発生した場合に、半導体素子33をオン状態にすると、コンデンサENのエネルギーによって半導体素子33,34の破壊規模が大きくなる可能性がある。 The above describes a configuration in which semiconductor element 32 alternates between the on and off states when a short-circuit-related abnormality occurs in semiconductor element 31, but a similar phenomenon can occur when a short-circuit-related abnormality occurs in semiconductor element 34. In other words, if semiconductor element 33 is turned on when a short-circuit-related abnormality occurs in semiconductor element 34, the energy of capacitor EN may increase the scale of damage to semiconductor elements 33 and 34.

そのため、セル制御部15は、半導体素子34の短絡関連異常を検出すると、半導体素子33を断続的にオンオフする制御を実行する。すなわち、半導体素子34の短絡関連異常が検出された場合、セル制御部15は、バイパス要素25の閉路が確立される前の期間において、半導体素子33のオン状態およびオフ状態を交互に切り替える。なお、半導体素子31,32については実施の形態1と同様の制御が行なわれる。具体的には、セル制御部15は、半導体素子31をオフ状態に維持し、半導体素子32をオン状態に維持する。これにより、コンデンサENのエネルギーによる各半導体素子33,34の破壊を防止できる、あるいは、その破壊の規模を小さくできる。 For this reason, when the cell control unit 15 detects a short-circuit-related abnormality in semiconductor element 34, it controls semiconductor element 33 to turn on and off intermittently. That is, when a short-circuit-related abnormality in semiconductor element 34 is detected, the cell control unit 15 alternately switches semiconductor element 33 between the on and off states during the period before bypass element 25 is closed. Note that the same control as in embodiment 1 is performed on semiconductor elements 31 and 32. Specifically, the cell control unit 15 maintains semiconductor element 31 in the off state and semiconductor element 32 in the on state. This prevents damage to semiconductor elements 33 and 34 due to the energy of capacitor EN, or reduces the scale of such damage.

なお、コンデンサEP,ENのエネルギーを徐々に消費させるために他の手法を採用してもよい。具体的には、セル制御部15は、半導体素子31の短絡関連異常時に半導体素子32をオン制御する場合、半導体素子32のオン時のゲート電圧を、通常スイッチング時のゲート電圧よりも低下させる。これにより、コンデンサEPから半導体素子32に流れる電流を制限できるため、半導体素子31,32の急激な温度上昇を抑制できる。結果として、各半導体素子31,32の破壊を防止、あるいは、各半導体素子31,32の破壊規模を小さくできる。同様に、セル制御部15は、半導体素子34の短絡関連異常時に半導体素子33をオン制御する場合、半導体素子33のオン時のゲート電圧を、通常スイッチング時のゲート電圧よりも低下させてもよい。 Other methods may be employed to gradually consume the energy of capacitors EP and EN. Specifically, when the cell control unit 15 controls semiconductor element 32 to turn on during a short-circuit-related abnormality in semiconductor element 31, it reduces the gate voltage of semiconductor element 32 when it is on below the gate voltage during normal switching. This limits the current flowing from capacitor EP to semiconductor element 32, thereby suppressing a sudden increase in temperature in semiconductor elements 31 and 32. As a result, it is possible to prevent damage to each semiconductor element 31 and 32, or to reduce the scale of damage to each semiconductor element 31 and 32. Similarly, when the cell control unit 15 controls semiconductor element 33 to turn on during a short-circuit-related abnormality in semiconductor element 34, it may reduce the gate voltage of semiconductor element 33 when it is on below the gate voltage during normal switching.

実施の形態3によると、コンデンサEP,ENのエネルギーによる半導体素子の破壊を防止できる、あるいは、その破壊の規模を小さくすることができる。 According to embodiment 3, it is possible to prevent damage to semiconductor elements due to the energy of capacitors EP and EN, or to reduce the scale of such damage.

実施の形態4.
上述した実施の形態3では、1つの半導体素子32のオン状態およびオフ状態を交互に切り替えることにより、半導体素子31,32の破壊を防止する(あるいは、破壊規模を小さくする)構成について説明した。実施の形態4では、半導体素子32に1以上の半導体素子を並列接続して、これらの半導体素子を順次オン状態に制御することにより、半導体素子31,32の破壊を防止する構成について説明する。
Embodiment 4.
The third embodiment described above describes a configuration that prevents damage to semiconductor elements 31 and 32 (or reduces the scale of damage) by alternately switching the on state and off state of one semiconductor element 32. The fourth embodiment describes a configuration that prevents damage to semiconductor elements 31 and 32 by connecting one or more semiconductor elements in parallel to semiconductor element 32 and controlling these semiconductor elements to be sequentially turned on.

図15は、実施の形態4に従う半導体素子群を説明するための図である。図15を参照して、半導体素子群320は、半導体素子32,32A,32B,32Cと、高電位側の端子Xpと、低電位側の端子Xnとを含む。端子Xpは半導体素子31の負極端子に接続される。端子Xnは半導体素子33の正極端子に接続される。半導体素子32,32A,32B,32Cは互いに並列接続される。 Figure 15 is a diagram illustrating a semiconductor element group according to embodiment 4. Referring to Figure 15, semiconductor element group 320 includes semiconductor elements 32, 32A, 32B, and 32C, a high-potential side terminal Xp, and a low-potential side terminal Xn. Terminal Xp is connected to the negative terminal of semiconductor element 31. Terminal Xn is connected to the positive terminal of semiconductor element 33. Semiconductor elements 32, 32A, 32B, and 32C are connected in parallel with each other.

図16は、実施の形態4に従う半導体素子群の制御方式を説明するための図である。図16を参照して、半導体素子31に短絡関連異常が発生すると、半導体素子31のコレクタ-エミッタ間の抵抗値が低下する。セル制御部15は、半導体素子31の短絡関連異常を検出すると、半導体素子群320に含まれる半導体素子32~32Cを交互にオン状態にする制御を開始する。 Figure 16 is a diagram illustrating a control method for a semiconductor element group according to embodiment 4. Referring to Figure 16, when a short-circuit-related abnormality occurs in semiconductor element 31, the resistance value between the collector and emitter of semiconductor element 31 decreases. When cell control unit 15 detects a short-circuit-related abnormality in semiconductor element 31, it begins control to alternately turn on semiconductor elements 32 to 32C included in semiconductor element group 320.

具体的には、セル制御部15は、半導体素子32をオンにしてから一定時間経過後にオフにする。続いて、セル制御部15は、半導体素子32Aをオンしてから一定時間経過後にオフにする。以降、セル制御部15は、半導体素子32B,32Cについても同様の制御を実行する。すなわち、半導体素子31の短絡関連異常が検出された場合、セル制御部15は、バイパス要素25の閉路が確立される前の期間において、複数の半導体素子32~32Cの各々のオン時間が他の半導体素子のオン時間と重ならないように、複数の半導体素子32~32Cの各々のオン状態およびオフ状態を制御する。 Specifically, the cell control unit 15 turns semiconductor element 32 on a fixed time later and then turns it off. Next, the cell control unit 15 turns semiconductor element 32A on a fixed time later and then turns it off. Thereafter, the cell control unit 15 performs similar control on semiconductor elements 32B and 32C. In other words, if a short-circuit-related abnormality is detected in semiconductor element 31, the cell control unit 15 controls the on and off states of each of the multiple semiconductor elements 32-32C during the period before the bypass element 25 is closed, so that the on time of each of the multiple semiconductor elements 32-32C does not overlap with the on time of other semiconductor elements.

このような制御により、半導体素子31,32~32Cに印加されるエネルギーが分散されるため、コンデンサEPのエネルギーによる各半導体素子31,32~32Cの破壊を防止できる、あるいは、その破壊の規模を小さくできる。 This control disperses the energy applied to semiconductor elements 31, 32-32C, preventing damage to each semiconductor element 31, 32-32C due to the energy of capacitor EP, or reducing the scale of such damage.

なお、セル制御部15は、複数の半導体素子を一括で駆動するゲートドライバを用いて半導体素子32~32Cをオンオフ制御してもよいし、個別のゲートドライバを用いて半導体素子32~32Cをオンオフ制御してもよい。 The cell control unit 15 may control the on/off of semiconductor elements 32-32C using a gate driver that drives multiple semiconductor elements collectively, or may control the on/off of semiconductor elements 32-32C using individual gate drivers.

また、半導体素子33に他の半導体素子(便宜上、「半導体素子G」とも称する。)を並列接続して、これらの半導体素子を順次オン状態に制御することにより、半導体素子33,34の破壊を防止してもよい。具体的には、セル制御部15は、半導体素子34の短絡関連異常を検出すると、半導体素子33および半導体素子Gを交互にオン状態にする制御を開始する。すなわち、半導体素子34の短絡関連異常が検出された場合、セル制御部15は、バイパス要素25の閉路が確立される前の期間において、半導体素子33のオン時間が半導体素子Gのオン時間と重ならないように、半導体素子33および半導体素子Gの各々のオン状態およびオフ状態を制御する。なお、図15の例のように、複数の半導体素子Gを設ける構成であってもよい。 Furthermore, destruction of semiconductor elements 33 and 34 may be prevented by connecting another semiconductor element (also referred to as "semiconductor element G" for convenience) in parallel to semiconductor element 33 and sequentially controlling these semiconductor elements to the ON state. Specifically, when the cell control unit 15 detects a short-circuit-related abnormality in semiconductor element 34, it begins control to alternately turn on semiconductor element 33 and semiconductor element G. In other words, when a short-circuit-related abnormality in semiconductor element 34 is detected, the cell control unit 15 controls the ON and OFF states of semiconductor element 33 and semiconductor element G during the period before the bypass element 25 is closed, so that the ON time of semiconductor element 33 does not overlap with the ON time of semiconductor element G. Note that, as in the example of Figure 15, a configuration in which multiple semiconductor elements G are provided may also be used.

実施の形態4によると、コンデンサEP,ENのエネルギーによる半導体素子の破壊を防止できる、あるいは、その破壊の規模を小さくすることができる。 According to embodiment 4, it is possible to prevent damage to semiconductor elements due to the energy of capacitors EP and EN, or to reduce the scale of such damage.

その他の実施の形態.
(1)上述した実施の形態1において、バイパス要素25の閉路前に半導体素子31,32においてコンデンサEPのエネルギーを消費させることにより、半導体素子31,32がともにオープン故障となった場合、バイパス要素25が閉路されるまでの期間においては、変換器セル10がオープン状態となり、変換器セル10が高インピーダンスとなる。なお、バイパス要素25の閉路前に半導体素子33,34においてコンデンサENのエネルギーを消費させることにより、半導体素子33,34がともにオープン故障となった場合についても同様である。
Other embodiments.
(1) In the above-described first embodiment, if the semiconductor elements 31 and 32 both experience an open circuit failure due to the energy of the capacitor EP being consumed in the semiconductor elements 31 and 32 before the bypass element 25 is closed, the converter cell 10 is in an open state and has a high impedance until the bypass element 25 is closed. The same applies to the case where the semiconductor elements 33 and 34 both experience an open circuit failure due to the energy of the capacitor EN being consumed in the semiconductor elements 33 and 34 before the bypass element 25 is closed.

この場合、想定以上の高電圧が変換器セル10の入出力端子Po,Noに印加されることにより、アーク放電等が発生し、変換器セル10の周辺装置が故障する可能性がある。そこで、変換器セル10に図17に示すような抵抗器を設けてもよい。 In this case, if a voltage higher than expected is applied to the input/output terminals Po and No of the converter cell 10, an arc discharge or the like may occur, possibly causing damage to peripheral devices of the converter cell 10. Therefore, a resistor such as that shown in Figure 17 may be provided in the converter cell 10.

図17は、変換器セル10の変形例を示す図である。図17を参照して、変形例に従う変換器セル10は、図2の変換器セル10に抵抗器27を追加した構成を有する。抵抗器27は、バイパス要素25に並列接続される。抵抗器27は、変換器セル10がオープン状態とならない程度の高抵抗体である。 Figure 17 is a diagram showing a modified example of the converter cell 10. Referring to Figure 17, the converter cell 10 according to this modified example has a configuration in which a resistor 27 is added to the converter cell 10 of Figure 2. The resistor 27 is connected in parallel to the bypass element 25. The resistor 27 has a high resistance such that the converter cell 10 does not enter an open state.

(2)図18は、セル制御部15の構成例を説明するための図である。図18を参照して、セル制御部15は、スイッチング回路21を制御するための制御回路81と、スイッチング回路22を制御するための制御回路82とを含む。 (2) Figure 18 is a diagram illustrating an example configuration of the cell control unit 15. Referring to Figure 18, the cell control unit 15 includes a control circuit 81 for controlling the switching circuit 21 and a control circuit 82 for controlling the switching circuit 22.

具体的には、制御回路81は、半導体素子31,32のオンオフ制御を実行する。制御回路82は、半導体素子33,34のオンオフ制御を実行する。また、制御回路81は、半導体素子31,32の短絡関連異常を検出し、制御回路82は、半導体素子33,34の短絡関連異常を検出する。 Specifically, control circuit 81 performs on/off control of semiconductor elements 31 and 32. Control circuit 82 performs on/off control of semiconductor elements 33 and 34. In addition, control circuit 81 detects short-circuit-related abnormalities in semiconductor elements 31 and 32, and control circuit 82 detects short-circuit-related abnormalities in semiconductor elements 33 and 34.

例えば、制御回路81は、半導体素子31の短絡関連異常を検出すると、半導体素子31にオフ信号を出力し、半導体素子32にオン信号を出力する。また、制御回路81は、短絡関連異常を示す異常信号を制御回路82に送信する。制御回路82は、異常信号を受信すると、半導体素子33にオン信号を出力し、半導体素子34にオフ信号を出力する。 For example, when control circuit 81 detects a short-circuit-related abnormality in semiconductor element 31, it outputs an OFF signal to semiconductor element 31 and an ON signal to semiconductor element 32. Control circuit 81 also sends an abnormality signal indicating the short-circuit-related abnormality to control circuit 82. When control circuit 82 receives the abnormality signal, it outputs an ON signal to semiconductor element 33 and an OFF signal to semiconductor element 34.

例えば、制御回路82は、半導体素子34の短絡関連異常を検出すると、半導体素子34にオフ信号を出力し、半導体素子33にオン信号を出力する。また、制御回路82は、短絡関連異常を示す異常信号を制御回路81に送信する。制御回路81は、異常信号を受信すると、半導体素子31にオフ信号を出力し、半導体素子32にオン信号を出力する。 For example, when control circuit 82 detects a short-circuit-related abnormality in semiconductor element 34, it outputs an OFF signal to semiconductor element 34 and an ON signal to semiconductor element 33. Control circuit 82 also sends an abnormality signal indicating the short-circuit-related abnormality to control circuit 81. When control circuit 81 receives the abnormality signal, it outputs an OFF signal to semiconductor element 31 and an ON signal to semiconductor element 32.

制御回路81は、半導体素子31を駆動するための駆動回路と、半導体素子32を駆動するための駆動回路とを含む。制御回路82は、半導体素子33を駆動するための駆動回路と、半導体素子34を駆動するための駆動回路とを含む。これらの駆動回路は、絶縁破壊を防ぐために互いに電気的に絶縁されている必要がある。例えば、各駆動回路が同一のユニバーサル基板等に実装されていた場合でも、各半導体素子31~34から接続されたパターン箇所は絶縁されている必要がある。これらの電気的な絶縁破壊を防ぐため、各駆動回路は、それぞれ独立した回路基板に実装されていてもよい。 Control circuit 81 includes a drive circuit for driving semiconductor element 31 and a drive circuit for driving semiconductor element 32. Control circuit 82 includes a drive circuit for driving semiconductor element 33 and a drive circuit for driving semiconductor element 34. These drive circuits must be electrically insulated from each other to prevent dielectric breakdown. For example, even if each drive circuit is mounted on the same universal board, the patterns connected to each semiconductor element 31 to 34 must be insulated. To prevent electrical breakdown, each drive circuit may be mounted on an independent circuit board.

(3)図19は、セル制御部15の他の構成例を説明するための図である。図19を参照して、セル制御部15は、半導体素子31~34をそれぞれ制御するための制御回路91~94を含む。制御回路91~94は、それぞれ半導体素子31~34を駆動するための駆動回路を含む。なお、セル制御部15は、1つの制御回路により半導体素子31~34を制御する構成であってもよい。この場合、当該制御回路は、4つの半導体素子31~34を駆動するための4つの駆動回路を含む。 (3) Figure 19 is a diagram illustrating another example configuration of the cell control unit 15. Referring to Figure 19, the cell control unit 15 includes control circuits 91 to 94 for controlling the semiconductor elements 31 to 34, respectively. The control circuits 91 to 94 each include a drive circuit for driving the semiconductor elements 31 to 34. Note that the cell control unit 15 may also be configured to control the semiconductor elements 31 to 34 using a single control circuit. In this case, the control circuit includes four drive circuits for driving the four semiconductor elements 31 to 34.

(4)上述の実施の形態として例示した構成は、本開示の構成の一例であり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本開示の要旨を逸脱しない範囲で、一部を省略する等、変更して構成することも可能である。また、上述した実施の形態において、他の実施の形態で説明した処理および構成を適宜採用して実施する場合であってもよい。 (4) The configurations exemplified as the above-described embodiments are examples of the configurations of the present disclosure, and may be combined with other known technologies. They may also be modified, such as by omitting some parts, without departing from the spirit of the present disclosure. Furthermore, the above-described embodiments may also be implemented by appropriately adopting the processes and configurations described in other embodiments.

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本開示の範囲は、上記した説明ではなく、請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。 The embodiments disclosed herein should be considered in all respects to be illustrative and not restrictive. The scope of the present disclosure is indicated by the claims, not the above description, and is intended to include all modifications that are equivalent in meaning to and within the scope of the claims.

10 変換器セル、14N,14P リアクトル、15 セル制御部、21,22 スイッチング回路、25 バイパス要素、27 抵抗器、31~34 半導体素子、31d~34d ダイオード、31s~34s スイッチング素子、40u~40w レグ回路、51~55 電流センサ、60 ゲート駆動回路、62 検出部、63 遮断部、71,72 寄生インダクタンス、81,82,91,94 制御回路、100 電力変換装置、110 電力変換器、120 制御装置、130 直流回路、140 変圧器、150 交流回路、320 半導体素子群。 10 Converter cell, 14N, 14P Reactor, 15 Cell control unit, 21, 22 Switching circuit, 25 Bypass element, 27 Resistor, 31-34 Semiconductor elements, 31d-34d Diodes, 31s-34s Switching elements, 40u-40w Leg circuit, 51-55 Current sensor, 60 Gate drive circuit, 62 Detection unit, 63 Cutoff unit, 71, 72 Parasitic inductance, 81, 82, 91, 94 Control circuit, 100 Power conversion device, 110 Power converter, 120 Control device, 130 DC circuit, 140 Transformer, 150 AC circuit, 320 Semiconductor element group.

Claims (2)

直列接続された複数の変換器セルを備える電力変換装置であって、
前記複数の変換器セルの各々は、
セル制御部と、
直列接続された第1スイッチング回路および第2スイッチング回路と、
第1入出力端子および第2入出力端子と、
前記第1入出力端子と前記第2入出力端子との間に接続されたバイパス要素とを含み、
前記第1スイッチング回路は、第1半導体素子と、第2半導体素子と、前記第1半導体素子および前記第2半導体素子を含む直列体に並列接続された第1エネルギー蓄積要素とを含み、
前記第1入出力端子は、前記第1半導体素子の負極端子と前記第2半導体素子の正極端子との接続点に接続され、
前記第2スイッチング回路は、第3半導体素子と、第4半導体素子と、前記第3半導体素子および前記第4半導体素子を含む直列体に並列接続された第2エネルギー蓄積要素とを含み、
前記第2入出力端子は、前記第3半導体素子の負極端子と前記第4半導体素子の正極端子との接続点に接続され、
前記第1半導体素子に流れる短絡電流または前記第4半導体素子に流れる短絡電流が検出された場合、前記セル制御部は、前記第1半導体素子および前記第4半導体素子をオフ状態に制御する、電力変換装置。
A power conversion device comprising a plurality of converter cells connected in series,
Each of the plurality of converter cells comprises:
A cell control unit;
a first switching circuit and a second switching circuit connected in series;
a first input/output terminal and a second input/output terminal;
a bypass element connected between the first input/output terminal and the second input/output terminal;
the first switching circuit includes a first semiconductor device, a second semiconductor device, and a first energy storage element connected in parallel to a series circuit including the first semiconductor device and the second semiconductor device;
the first input/output terminal is connected to a connection point between a negative terminal of the first semiconductor element and a positive terminal of the second semiconductor element;
the second switching circuit includes a third semiconductor device, a fourth semiconductor device, and a second energy storage element connected in parallel to a series circuit including the third semiconductor device and the fourth semiconductor device;
the second input/output terminal is connected to a connection point between a negative terminal of the third semiconductor element and a positive terminal of the fourth semiconductor element;
When a short-circuit current flowing through the first semiconductor element or a short-circuit current flowing through the fourth semiconductor element is detected, the cell control unit controls the first semiconductor element and the fourth semiconductor element to an off state.
前記セル制御部は、前記第1半導体素子のエミッタ側の寄生インダクタンスの電圧に基づいて、前記第1半導体素子に流れる短絡電流を検出する、請求項1に記載の電力変換装置。
The power conversion device according to claim 1 , wherein the cell control unit detects the short-circuit current flowing through the first semiconductor element based on a voltage of a parasitic inductance on an emitter side of the first semiconductor element.
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